组蛋白金属化：表观遗传组蛋白密码的新层次

《Journal of Inorganic Biochemistry》：Histone metalation: A novel layer to the epigenetic histone code

摘要

金属对表观遗传学的各个方面都有不同的影响。然而，金属对组蛋白的影响至今仍未受到足够的关注。本文将组蛋白视为金属配体蛋白，重点探讨了组蛋白金属化的氧化还原生化机制。文章综述了近60年的研究结果，总结了生化、结构和功能方面的证据，涵盖了18种已被证实能与组蛋白结合的金属：镁（Mg）、钙（Ca）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、钌（Ru）、镉（Cd）、锡（Sn）、钨（W）、铂（Pt）、金（Au）、汞（Hg）和铅（Pb）。由于实验上的种种挑战，对组蛋白金属化的研究主要集中在组蛋白的肽序列上。尽管如此，本文仍探讨了H2A的C末端（-S₁₂₁HH₁₂₄-）和H3-H3’（-C₁₁₀AIH₁₁₃-）二聚化界面这两种最可能的金属结合位点。文章还讨论了这种金属结合对细胞核内转录过程和DNA损伤的影响，并提出了组蛋白金属化的作用机制：即通过金属可及的常染色质位点在转录起始过程中发挥作用。同时，文章指出了当前结构和功能研究的局限性，并提出了新的研究方向和机会。最后，本文还探讨了未来需要解决的研究问题。

引言

尽管一个生物体内的所有体细胞都含有相同的DNA，但基因表达的差异导致了不同类型的细胞和功能。随着细胞在发育过程中分化，独特的基因表达模式会通过有丝分裂得以建立并维持。这意味着细胞除了继承遗传信息外，还获得了DNA序列本身未编码的表观遗传信息。[1] 1942年，Waddington首次提出了“表观遗传学”这一术语，定义了从基因型到表型的因果相互作用。[2] 最初，该术语涵盖了所有影响基因型转化为特定表型的分子途径。然而，随着研究的深入，表观遗传学现在被定义为：“不通过突变改变DNA序列，而是可经由有丝分裂和减数分裂传递的基因表达变化”。[3] 因此，表观遗传学是一个快速发展的研究领域，其主要机制包括DNA甲基化、非编码RNA（ncRNA）的修饰、转录因子（TFs）、染色质重塑蛋白以及组蛋白的翻译后修饰（PTMs）和组蛋白变体的替换（图1）。简而言之，DNA甲基化和组蛋白PTMs属于顺式调控元素，因为它们作用于同一条染色体上的基因，并为转录调控元素提供结合位点；而TFs、染色质重塑蛋白和ncRNA则属于反式调控元素。[4]

除了发育信号外，环境因素（如氧化应激）也可以动态改变染色质结构从而影响基因表达。然而，长期氧化应激可能导致不适当的染色质变化和累积的生化氧化损伤，进而加速细胞衰老，并增加患癌症和神经退行性疾病的风险。[5]有趣的是，许多表观遗传调控酶（如组蛋白去乙酰酶HDAC、sirtuins、转录因子STAT3、AP1、NF-κB以及DNA修复酶8-氧鸟嘌呤DNA糖苷酶和O6-烷基鸟嘌呤DNA烷基转移酶）也被证明是氧化还原途径的关键调节者。[6] 值得注意的是，这些表观遗传酶的催化位点通常含有金属辅因子。Ryu和Mikhed等人已经总结了环境金属辅因子的多种调控作用。[7][8] 令人惊讶的是，直接金属-组蛋白相互作用的可能调控效应仍知之甚少，这主要是由于实验上的难度：难以控制细胞内的不稳定金属氧化还原状态，以及哺乳动物细胞中丰富的组蛋白序列变异（异构体），使得体外和体内研究复杂化。因此，大多数生化研究都集中在组蛋白的肽序列上，而忽略了核小体结构的3D环境。自染色质生物学诞生以来，蛋白质化学在探索染色质调控机制方面发挥了重要作用。然而，这些蛋白质模型可能无法完全反映细胞内的真实调控过程。[9]在这方面，随着发现多种非酶促的组蛋白共价修饰（NECM），研究重点从酶促修饰转向了非酶促修饰。NECM主要发生在组蛋白的球状结构域，而酶促修饰则主要发生在组蛋白的尾部区域。[10] 易受NECM影响的氨基酸（如半胱氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、丝氨酸和酪氨酸）与传统的表观遗传修饰位点（如赖氨酸和精氨酸）不同，从而导致了独特的表观遗传调控方式。Zhdanov等人对这两类共价修饰进行了详细综述。[11][12] 我们的综述重点关注了一类新的金属离子作为组蛋白配体。最近发现组蛋白具有铜还原酶活性，为理解组蛋白核心残基的功能提供了新的视角。[13][14] 我们的实验室还发现了铁-组蛋白结合可能影响铁死亡细胞凋亡的过程。[15]

章节片段

组蛋白的结构：从基因到蛋白质再到染色质

由于真核生物的基因组体积庞大，必须以染色质核蛋白复合物的形式紧密包装在细胞核内。这些复合物的主要组成部分是核小体核心颗粒（NCP），由两个H2A、H2B、H3和H4组蛋白以及147 bp的DNA组成，DNA缠绕成1.7个超螺旋结构。虽然“组蛋白”这一术语的起源存在争议，但其含义可能与希腊词“histanai”或“histos”有关，意为“放置到位”，这与组蛋白的主要功能相符。

组蛋白的翻译后修饰

2000年，Strahl和Allis提出：“不同的组蛋白修饰，无论发生在哪个或哪些尾部，会依次或共同作用，形成‘组蛋白代码’，由其他蛋白质解读以引发特定的下游事件。”[76] 传统上，这种组蛋白代码被视为发生在尾部的共价修饰，由修饰酶添加，由去除酶去除，并由解读酶解释。

组蛋白金属化：扩展组蛋白代码

最大的未解之谜可能是组蛋白金属化在细胞核和细胞功能方面的影响。不同金属配体是否具有相同的生物效应或结果？本文提出了一种多功能的组蛋白金属化模型，能够协调多种金属。这种金属化可以通过组蛋白切割、滑动和染色质相分离等机制改变染色质结构。

讨论

金属离子在多种细胞生化途径中作为辅因子至关重要，但在体内过量时可能具有毒性。本文表明，多种生命必需金属（锰、铁、钴、铜、锌、钙和镁）以及有毒金属（铬、镍、砷、镉、锡、钨、汞和铅）和用于治疗的金属（铂、金、钌）都可以与组蛋白结合。此外，许多这些金属（锰、铁、铜、锌、镍、砷、汞、铂和金）已被证明能够与组蛋白结合。

未来挑战

作为总结，本文将讨论一些未解决的问题：组蛋白H3.1(t)含有额外的半胱氨酸（Cys96）；是否存在通用的金属结合位点？；DNA与金属的相互作用如何？；金属是如何进入核小体的？；组蛋白金属化的普遍程度如何？；组蛋白金属化是否是表观遗传代码的新层次？

CRediT作者贡献声明

Amber Driesen： 起草初稿、可视化、实验设计、资金募集、概念构建。Inna Cordy： 起草初稿、可视化、实验设计。Wim Vanden Berghe： 起草初稿、指导、资金募集、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。UA/Antigoon数据库ID：47742 FWO-ID 1163025N；UA/Antigoon数据库ID：44255 DOCPRO BONUS UA。

Amber Driesen | Inna Cordy | Wim Vanden Berghe细胞死亡信号（CDS）- 表观遗传信号实验室，安特卫普大学-CDE，Universiteitsplein 1，S号楼，2610 Wilrijk，安特卫普，比利时